Jak wydmy tańczą ze sobą walca? W bezpiecznym dystansie

Fot: Zdjecie eksperymentu, w którym przedstawiał, jak przebiegają interakcje między wydmami. Źródło: Karol Bacik, Nathalie Vriend
Fot: Zdjecie eksperymentu, w którym przedstawiał, jak przebiegają interakcje między wydmami. Źródło: Karol Bacik, Nathalie Vriend

Nie każda wydma na polu wydmowym porusza się w tym samym tempie. Okazuje się, że wydmy mogą wzajemnie regulować swoją prędkość. I w dodatku mogą “sprawiedliwie” dzielić się piaskiem. Za opisanie zaskakujących własności ruchu wydm - w eksperymencie z obracającym się walcowatym akwarium - dr Karol Bacik otrzymał prestiżową nagrodę APS.

Badania docenione nagrodą American Physical Society w obszarze dynamiki płynów ukazały się jakiś czas temu w Physical Review Letters (TU i TU) oraz Physical Review Fluids (TU).

Dr Bacik, obecnie pracownik Massachusetts Institute of Technology, przeprowadził badania nad wydmami w ramach swojej pracy doktorskiej na Uniwersytecie w Cambridge.

GDZIE PIACH - TAM WYDMY

Wydmy - piaszczyste wzniesienia - tworzą się nie tylko za sprawą wiatru na pustyniach czy wybrzeżach, ale również w wyniku działania ruchu wody - na dnie rzek, zatok czy oceanów. Wydmy znaleźć można także na powierzchniach innych ciał niebieskich - Marsa, Wenus czy Tytana (księżyc Saturna). Bywają wydmy maleńkie - np. zmarszczki na piasku na brzegu plaży - ale i wielkie kilkudziesięciometrowe wydmy na pustyniach czy dnie zatok.

Fot: Sandhills, w Nebrasce, USA. Wydmy pochodzenia lodowcowego. Fot: NASA/METI/AIST/Japan Space Systems oraz U.S./Japan ASTER Science Team
Fot: Sandhills, w Nebrasce, USA. Wydmy pochodzenia lodowcowego. Fot: NASA/METI/AIST/Japan Space Systems oraz U.S./Japan ASTER Science Team

RUCHOME PIASKI

Niektóre wydmy uwięzione są w swoim położeniu, np. te porośnięte roślinnością - częsty przypadek na polskim wybrzeżu. Są też wydmy, które wprawdzie poruszane są przez wodę lub wiatr, ale raz w jedną, raz w drugą stronę, przez co nie ma wyraźnej tendencji w ich ruchu (tak np. powstają zmarszczki na brzegu morza). Są jednak i wydmy barchanowe - o kształcie sierpa, które się przesuwają. Pojawiają się one na pustyni, na dnie mórz czy przesmyków.

Wydmy często występują w towarzystwie. Interakcje między tymi wzniesieniami z piasku zbadał dr Karl Bacik. Wydmy w Rub' al Khali, Półwysep Arabski. Fot. NASA/GSFC/METI/ERSDAC/JAROS, and U.S./Japan ASTER Science Team
Wydmy często występują w towarzystwie. Interakcje między tymi wzniesieniami z piasku zbadał dr Karl Bacik. Wydmy w Rub' al Khali, Półwysep Arabski. Fot. NASA/GSFC/METI/ERSDAC/JAROS, and U.S./Japan ASTER Science Team

ZASADY RUCHU PIACHU

Dr Karol Bacik w rozmowie z Nauką w Polsce wymienia, że pewne zasady opisujące ruch pojedynczej wydmy były już znane. I tak np. jeśli wydma przypomina kształtem sierp, to rogi tego sierpa wskazują stronę, w którą wieje wiatr. Wiadomo też już było, że wydmy mniejsze poruszają się szybciej niż większe. A prędkość wydmy zależy od prędkości wiatru. Kolejnym znanym faktem jest to, że w wydmie porusza się tylko piasek na powierzchni. Ale ponieważ z czasem na tę powierzchnię wydostaje się każdy fragment wydmy, to w rezultacie przesuwana jest na ogół cała wydma.

Nie do końca jednak było wiadomo, co się dzieje, kiedy wydm jest więcej, a więc jak wygląda ruch wielu wydm. A przecież wydmy wcale nie są samotniczkami. Ba, tworzyć mogą one całe pola wydmowe. A interakcje, do jakich dochodzić może między wydmami, nie były jeszcze dogłębnie zbadane.

Fot: Zasady ruchu pojedynczej wydmy barchanowej.  CC BY-SA 3.0
Fot: Zasady ruchu pojedynczej wydmy barchanowej.  CC BY-SA 3.0

PIASEK W KAŻDYM STANIE

Modelowanie ruchu piasku to o tyle nietrywialne matematycznie zagadnienie, że piasek - w zależności od warunków - zachowywać się może tak, jakby był w różnych stanach skupienia. Może być jak ciało stałe - dlatego można z niego budować zamki; jak ciecz - dlatego suchy piasek przybiera kształt naczyń, w które się go wsypuje; a także jak gaz - chmury piasku znad Sahary docierać mogą nawet nad Europę.

Modelowanie zachowania piasku - czasem przypominającego ciało stałe, czasem ciecz, czasem chmurę pyłu - może być skomplikowanym matematycznie zagadnieniem. Widać to choćby we fragmencie narodzin Sandmana w “Spider-Manie 3”, gdzie animatorzy, aby przygotować wiarygodnie wyglądającą scenę narodzin bohatera z piasku, musieli zmierzyć się z nie lada wyzwaniem.

WIATR ZJEŻDŻA Z WYDM

Wydawać się może, że każda wydma popychana jest w taki sam sposób, powinny więc wszystkie sunąć po podłożu w tym samym tempie. A tu figla płata aerodynamika.

Fot. Wydma z eksperymentu zrobiona ze szklanych kuleczek. Widać, jak ruch wody gwałtownie wwiewa je po nawietrznym zboczu wydmy. Źródło: Karol Bacik, Nathalie Vriend
Fot. Wydma z eksperymentu zrobiona ze szklanych kuleczek. Widać, jak ruch wody gwałtownie wwiewa je po nawietrznym zboczu wydmy. Źródło: Karol Bacik, Nathalie Vriend

DIUNA 2

Pytanie bowiem, jak zachowuje się wiatr lub woda, która pokona już wydmę. Okazuje się, że zjazd z piaskowej górki na tyle zaburza ruch wody/ powietrza, że na kolejnej wydmie pojawiają się turbulencje - "o ile na pierwszej wydmie piasek przesypuje się spokojnie, to już na kolejnej niemal się ‘gotuje’" - mówi Karol Bacik. A to sprawia, że wiatr szybciej przesuwa piasek w tej kolejnej wydmie. Przez to zaś z czasem góry piachu oddalają się od siebie.

Można powiedzieć, że tej uciekającej wydmie wiatr w skrzydła, a tej goniącej - piasek w oczy.

Rys. Wykres pokazujący, w jakim tempie poruszają się dwie wydmy w eksperymencie. “Czerwona” wydma ucieka przed “niebieską” do momentu, kiedy znajdą się po przeciwnych stronach walca. Źródło: Karol Bacik, Nathalie Vriend

WYDM USZKA I OCZKA

Pierwsza wydma, na którą natrafi wiatr/woda, porusza się tak samo, niezależnie od tego, czy za nią są kolejne. Jednak już następne wydmy (te po zawietrznej stronie) przyspieszają, dopóki nie odsuną się na "bezpieczną" odległość od poprzedniej wydmy. "Odpychające się wydmy można - w pewnym uproszczeniu - porównać do kierowców, którzy starają się zachować bezpieczne odległości w kolumnie samochodów" - ocenia Bacik.

Naukowiec nie tylko zaprojektował i przeprowadził eksperymenty dotyczące poruszających się w jedną stronę wielu wydm oraz tego, jak wydmy pokonują przeszkody, ale również przygotował matematyczny opis takiego ruchu.

WYDMY PORWANE DO WALCA

Ciekawie zaprojektowany był sam eksperyment. Badacze na Cambridge - z zespołu prof. Nathalii Vriend - opracowali wydmiarkę - maszynę do produkcji wydm. Zbudowano wielkie akwarium na planie walca, ale woda znajdowała się tylko w cienkim pierścieniu na jego obwodzie. Wodę rozpędzano, by płynęła ze stałą prędkością dookoła walca. A na dnie zbiornika umieszczano dwie górki ze szklanych kuleczek - modelujące piasek i obserwowano, jak zmieni się w czasie ich kształt i położenie.

Materiał wideo. na którym widać zbudowaną na potrzeby eksperymentu wydmiarkę. Źródło: Karol Bacik, Nathalie Vriend

W ten sprytny sposób można było w sposób ciągły obserwować interakcję dwóch wydm tej samej wielkości. Okazało się, że jeśli umieści się wydmy w pewnym oddaleniu od siebie, to z czasem będą się one od siebie odsuwać, aż każda z nich znajdzie się na przeciwległym końcu walca.

Badacz obserwował też, co się w wydmiarce dzieje, jeśli dwie wydmy są różnej wielkości. Wydmy mniejsze co do zasady poruszają się szybciej niż większe. Pytanie więc, czy można sprawić, że jedna wydma dogoni drugą. Okazuje się, że jeśli mniejsza wydma goni większą, to ta większa, aby "uciec" mniejszej, gubi piasek, a ten staje się potem częścią wydmy "ścigającej" - ale tylko do momentu, aż wielkości obu wydm się wyrównają.

WYDMA PRZEKRACZA PRZESZKODĘ

Wydmy w swoim ruchu czasami wkraczają na tereny lub obiekty ważne dla człowieka. Przechodzą przez drogi, zasypują rurociągi, docierają do miast. Warto byłoby więc dysponować opisem ruchu tych piaskowych obiektów i prognozować, jak oddziałują one z otoczeniem.

Dr Karol Bacik opisał więc również, w jaki sposób wydmy pokonują przeszkody, jakie spotykają na drodze. Nie było to bowiem oczywiste.

Wydmy na swojej drodze spotykają liczne przeszkody. Chociażby rurociągi. Matematyczny opis interakcji wydmy z różnymi przeszkodami dostarczył Karol Bacik. Na filmie eksperyment w wydmiarce, który pokazuje, jak podwodna wydma wpływa na okrągłą przeszkodę

PAP - Nauka w Polsce, Ludwika Tomala

lt/ zan/

Fundacja PAP zezwala na bezpłatny przedruk artykułów z Serwisu Nauka w Polsce pod warunkiem mailowego poinformowania nas raz w miesiącu o fakcie korzystania z serwisu oraz podania źródła artykułu. W portalach i serwisach internetowych prosimy o zamieszczenie podlinkowanego adresu: Źródło: naukawpolsce.pl, a w czasopismach adnotacji: Źródło: Serwis Nauka w Polsce - naukawpolsce.pl. Powyższe zezwolenie nie dotyczy: informacji z kategorii "Świat" oraz wszelkich fotografii i materiałów wideo.

Czytaj także

  • Fot. Adobe Stock

    Chemiczka z UW laureatką grantu MIT-Poland Lockheed Martin Seed Fund

  • Źródło: Wydział Fizyki UW

    Studenci Wydziału Fizyki UW laureatami stypendiów SPIE

Przed dodaniem komentarza prosimy o zapoznanie z Regulaminem forum serwisu Nauka w Polsce.

newsletter

Zapraszamy do zapisania się do naszego newslettera